KR20210054219A - Solar energy module that produces hot water and power at the same time - Google Patents

Abstract

Translated fromKorean

온수와 전력을 동시에 생산하는 태양열 에너지 모듈이 제공된다. 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 태양열 에너지 모듈은, 태양열을 집열시키는 집열렌즈; 및 포물선 형상으로 내부 공간을 형성시키고, 상기 집열렌즈를 보조하여 태양열을 집열시키는 집열기;를 포함하여 구성되고, 상기 집열기의 중앙하단부에 집열점이 잡히는 집열장치; 상기 집열렌즈의 중앙하단부에 위치하여 상기 집열장치에 집열된 태양열을 이용하여 전력을 생산하는 열전모듈; 및 상기 열전모듈에서 변환되지 못한 열에너지가 이동하여 온수가열하는 히트파이프;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.Solar energy modules that produce hot water and electricity at the same time are provided. A solar energy module according to a preferred embodiment of the present invention includes a heat collecting lens for collecting solar heat; And a heat collecting device that forms an inner space in a parabolic shape and collects solar heat by assisting the heat collecting lens, wherein the heat collecting device includes a heat collecting point at a lower central end of the heat collecting device; A thermoelectric module positioned at a lower center of the heat collecting lens to generate electric power using solar heat collected by the heat collecting device; And a heat pipe for heating hot water by moving thermal energy that has not been converted by the thermoelectric module.

Description

Translated fromKorean

온수와 전력을 동시에 생산하는 태양열 에너지 모듈{Solar energy module that produces hot water and power at the same time}Solar energy module that produces hot water and power at the same time}

본 발명은 온수와 전력을 동시에 생산하는 태양열 에너지 모듈에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 집열렌즈와 집열기를 이용하여 태양열을 더욱 효과적으로 집열하고, 집열된 태양광의 열에너지를 이용하여 열전모듈을 통해 전력을 생산하며, 남은 열에너지를 이용하여 온수를 가열할 수 있는 태양열 에너지 모듈에 관한 것이다.The present invention relates to a solar energy module that simultaneously produces hot water and power, and more particularly, more effectively collects solar heat using a heat collecting lens and a heat collector, and generates power through a thermoelectric module using the heat energy of the collected sunlight. And, it relates to a solar thermal energy module capable of heating hot water using the remaining thermal energy.

일반적으로 태양에너지 이용 분야는 집열 온도에 따라 저온, 중온, 고온 활용 분야로 세분된다. 현재 우리나라의 개발 상황을 보면, 저온 이용분야의 평판형 집열기는 가정용 온수 급탕이나 난방 등에 실용화되어 있다. 그러나 중·고온 이용분야에서는 거의 실용화가 되어 있지 않은 실정이다.In general, the field of using solar energy is subdivided into the field of using low temperature, medium temperature, and high temperature according to the heat collection temperature. Looking at the current development situation in Korea, flat-type collectors in the field of low-temperature use have been put into practice for domestic hot water supply or heating. However, it is practically not practically used in the field of medium and high temperature applications.

중·고온 이용분야인 집광형 집열기는 집광 형태의 기하학적 구조에 따라 진공관형, PTC(parabolic trough concentrator)형이나 CPC(compound parabolic concentrator), Parabolic Dish형 등이 있다. 이와 같은 집광형 집열기는 얻을 수 있는 에너지의 밀도가 평판형 집열기에 비해 매우 크기 때문에 산업 현장에서 공정열이나 전력 발생용 등으로 선진국을 중심으로 널리 쓰이고 있다.Condensing-type collectors, which are used in medium and high temperature applications, include a vacuum tube type, a parabolic trough concentrator (PTC) type, a compound parabolic concentrator (CPC), and a parabolic dish type, depending on the geometric structure of the condensing type. Such condensing-type collectors are widely used in advanced countries mainly for process heat or power generation in industrial sites because the density of the energy that can be obtained is much higher than that of flat-type collectors.

국제적으로 유가의 상승이 지속되고 있고, 또한 우리나라뿐 만 아니라 국제적으로 여러 가지 환경문제가 심각하게 고려되고 있는 상황에서 위와 같은 태양열 이용 시스템의 기술 개발은 국가적 과제라 할 수 있다. 따라서, 진공관형, PTC(prabolic trough concentrator)형, CPC(compound parabolic concentrator), parabolic dish형 및 그 외의 집광형 집열기에서는 반사 및 굴절이 매우 중요한 설계 요소 중의 하나이다.In a situation where oil prices continue to rise internationally, and various environmental issues are being seriously considered not only in Korea but also internationally, the development of the above solar power system technology is a national task. Therefore, in a vacuum tube type, a prabolic trough concentrator (PTC) type, a compound parabolic concentrator (CPC), a parabolic dish type, and other condensing type collectors, reflection and refraction are one of very important design elements.

집광비를 증가시킴으로 더 높은 온도를 얻을 수 있기 때문에 집광형 집열기는 복사, 전도, 대류 열손실을 최대한 줄이고 광집속에 의한 태양에너지의 강도를 높이도록 해야 한다. 결과적으로 유용한 에너지량을 증대시키기 위해 열손실량을 감소시켜야 하는데, 그 방법으로 집열기의 단열강화, 선집광형집열기의 전도, 대류손실을 막기 위한 진공 보호관 사용, 선택 흡수면을 이용한 복사 손실의 감소, 재복사에너지 흡수를 위한 투과체의 사용 등이 있다.Because higher temperatures can be obtained by increasing the condensing ratio, condensing-type collectors should minimize radiation, conduction, and convective heat losses and increase the intensity of solar energy due to light condensing. As a result, it is necessary to reduce the amount of heat loss in order to increase the amount of useful energy. In this way, the insulation of the collector is strengthened, the conduction of the pre-concentrator type collector, the use of a vacuum protection tube to prevent convective loss, the reduction of radiation loss using a selective absorption surface, And the use of transmissive bodies for absorbing radiant energy.

이러한 집광형 집열기 중 CPC(Compound parabolic Concentrator) 집열기의 집광비는 4 내지 100 정도의 범위이며, 태양을 정확히 추적하게 되면 더 높은 온도를 얻을 수 있다. CPC는 산업용 에너지원과 가정용 냉·난방 시스템에서 이용할 수 있는 70 내지 150℃ 정도의 온도 범위에 있는 작동 유체를 생산하기 위한 고정 집광형 집열기로 그 응용 및 활용범위가 매우 넓다.Among these condensing-type collectors, the condensing ratio of a compound parabolic concentrator (CPC) collector is in the range of about 4 to 100, and a higher temperature can be obtained by accurately tracking the sun. CPC is a fixed condensing type collector for producing a working fluid in a temperature range of about 70 to 150°C, which can be used in industrial energy sources and household air conditioning and heating systems, and has a very wide range of applications and applications.

이러한 기술로, '태양광 모듈 제조 방법(공개번호 : 10-2016-0062451)'에서는 고 반사도를 갖는 반사 필름을 대량/저가의 필름 공정 기술로 제작하고, 이를 반사거울 형상을 갖는 플라스틱 프레임에 형성하는 기술을 적용하고, 가공 표면 또는 형상 제작에 있어 정밀도를 필요로 하지 않는 프레임 제작 기술을 적용하고, 고 반사도를 갖는 반사필름을 접목함으로써 제조 기술상 장점을 가지며, 반사 필름을 적용한 CPC 집광 구조를 적용함으로써 태양광 입사 단면적당 사용되는 태양전지 또는 태양열 부의 단면적을 줄일 수 있는 태양광 모듈 제조 방법을 개시하고 있다.With this technology, in the'photovoltaic module manufacturing method (Publication No.: 10-2016-0062451)', a reflective film having high reflectivity is produced by a large amount/low cost film process technology, and it is formed on a plastic frame having a reflective mirror shape. It has the advantage of manufacturing technology by applying the technology that does not require precision in manufacturing the processed surface or shape, and by grafting a reflective film with high reflectivity, and applying a CPC condensing structure to which a reflective film is applied. Thus, a solar module manufacturing method capable of reducing the cross-sectional area of a solar cell or a solar heat unit used per solar incident cross-sectional area is disclosed.

그러나, 상기 특허문헌의 태양광 모듈은 미리 결정된 CPC 형상에 대응되는 형상을 갖는 금형에 플라스틱을 사출시키고, 사출된 플라스틱 프레임에 반사 필름을 접착시키는 방법으로 제조되어 제조 기술상 장점이 있지만, 태양광 모듈이 설치되는 지역의 특성에 맞게 CPC를 설계하기에는 어려움이 있고, 수용 가능한 태양광의 입사각 범위를 조절하기에 어려움이 있으므로 이에 대한 새로운 기술 개발이 절실히 요구되고 있는 시점이다.However, the solar module of the patent document is manufactured by injecting plastic into a mold having a shape corresponding to a predetermined CPC shape, and attaching a reflective film to the injected plastic frame, and thus has an advantage in manufacturing technology, but the solar module It is difficult to design a CPC according to the characteristics of the installed area, and it is difficult to adjust the range of the incident angle of acceptable sunlight, so the development of a new technology for this is urgently required.

KRKR10-2016-006245110-2016-0062451AA

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 태양열을 효과적으로 집열하고, 집열된 태양광의 열에너지를 이용하여 열전발전 및 온수가열이 가능한 온수와 전력을 동시에 생산하는 태양열 에너지 모듈을 제공하는 것을 목적으로 한다.An object of the present invention is to solve the above problems, and an object of the present invention is to provide a solar energy module that efficiently collects solar heat and simultaneously produces hot water and power capable of thermoelectric power generation and hot water heating by using the collected thermal energy of the collected sunlight. .

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따른 온수와 전력을 동시에 생산하는 태양열 에너지 모듈은 태양열을 집열시키는 집열렌즈; 및 포물선 형상으로 내부 공간을 형성시키고, 상기 집열렌즈를 보조하여 태양열을 집열시키는 집열기;를 포함하여 구성되고, 상기 집열기의 중앙하단부에 집열점이 잡히는 집열장치; 상기 집열렌즈의 중앙하단부에 위치하여 상기 집열장치에 집열된 태양열을 이용하여 전력을 생산하는 열전모듈; 및 상기 열전모듈에서 변환되지 못한 열에너지가 이동하여 온수가열하는 히트파이프;를 포함하여 구성되는 것을 기술적 요지로 한다.In order to achieve the above object, a solar energy module for simultaneously producing hot water and electric power according to an embodiment of the present invention includes a heat collecting lens for collecting solar heat; And a heat collecting device that forms an inner space in a parabolic shape and collects solar heat by assisting the heat collecting lens, wherein the heat collecting device includes a heat collecting point at a lower central end of the heat collecting device; A thermoelectric module positioned at a lower center of the heat collecting lens to generate electric power using solar heat collected by the heat collecting device; And a heat pipe for heating hot water by moving thermal energy that has not been converted by the thermoelectric module.

바람직하게는, 상기 집열렌즈는, 프레넬 렌즈인 것으로 한다.Preferably, the collecting lens is a Fresnel lens.

바람직하게는, 상기 집열렌즈는, 하나 또는 두개 배치되는 것으로 한다.Preferably, one or two of the collecting lenses are arranged.

바람직하게는, 상기 집열렌즈는, 상기 집열기의 길이방향을 따라 일정간격 이격 배치되는 것으로 한다.Preferably, the collecting lenses are arranged at predetermined intervals along the longitudinal direction of the collector.

바람직하게는, 상기 집열기는, 내부 공간이 진공상태인 것으로 한다.Preferably, it is assumed that the interior space of the heat collector is in a vacuum state.

상기 과제의 해결수단에 의한 본 발명은, 집열장치에 의해 취득한 열에너지를 이용하여 열전발전 및 온수 가열할 수 있는 효과가 있다.The present invention by means of solving the above problems has the effect of being able to generate thermoelectric power and heat hot water by using the heat energy obtained by the heat collecting device.

집열렌즈 및 집열기를 함께 이용함으로써 집열기의 높이를 낮추면서도 수용가능한 태양광의 입사각 범위가 넓어지므로 태양열 집열이 가능한 시간이 길어지고, 태양열의 집열량을 향상시킬 수 있다는 이점이 있다.By using the heat collecting lens and the heat collecting device together, there is an advantage in that the height of the heat collecting device is lowered and the incident angle range of acceptable sunlight is widened, so that the time for collecting solar heat is lengthened, and the amount of heat collected by the solar heat can be improved.

또한, 별도의 전원 없이 냉수와 온수의 순환이 가능한 히트파이프를 사용하므로 제어장치와 전원장치를 설치할 필요가 없어 장치의 점유면적을 줄일 수 있고, 경제적 비용을 절감할 수 있다.In addition, since a heat pipe capable of circulating cold water and hot water without a separate power source is used, there is no need to install a control device and a power supply device, thereby reducing the occupied area of the device and reducing economic cost.

아울러, 집열렌즈를 복수 개 사용함으로써 집열기의 높이는 더 낮추면서 집광도는 유지할 수 있어 집광각이 더욱 넓어지는 이점이 있다.In addition, by using a plurality of condensing lenses, the height of the condenser can be further lowered while the degree of condensing can be maintained, thereby further increasing the condensing angle.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 태양열 에너지 모듈의 구성도.
도 2는 도 1의 집열렌즈의 집열상태를 나타내는 스펙트럼.
도 3은 집광각과 집광도의 상관관계를 나타내는 그래프.
도 4는 도 1의 집열기의 설계를 위한 r-z 상태방정식의 궤도를 나타내는 그래프.
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 집열기의 단면도.
도 6은 도 5의 집열기의 시간에 따른 집열온도를 나타내는 그래프.
도 7은 도 5의 집열기를 통한 집열초점이 맺히는 상태를 나타내는 스펙트럼.
도 8은 도 1의 집열렌즈가 두 개 배치된 경우의 집열상태를 나타내는 스펙트럼.1 is a configuration diagram of a solar energy module according to a preferred embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a spectrum showing a collecting state of the collecting lens of FIG. 1.
3 is a graph showing a correlation between a condensing angle and a condensing degree.
Fig. 4 is a graph showing the trajectory of the rz equation of state for the design of the collector of Fig. 1;
5 is a cross-sectional view of a collector according to a preferred embodiment of the present invention.
6 is a graph showing the heat collection temperature over time of the heat collector of FIG. 5.
FIG. 7 is a spectrum showing a state in which a collection focus is established through the collector of FIG. 5.
FIG. 8 is a spectrum showing a collecting state when two collecting lenses of FIG. 1 are disposed.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 태양열 에너지 모듈의 구성도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 태양열 에너지 모듈은 집열장치(100), 열전모듈(200), 히트파이프(300)를 포함하여 구성되며, 집열장치(100)를 통해 집열된 태양열 에너지를 이용하여 열전모듈(200)을 통해 전력을 생산시키고, 열전변환되지 못한 열에너지는 히트파이프(300)를 통해 온수를 가열시키는 것을 특징으로 한다.1 is a configuration diagram of a solar energy module according to a preferred embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, the solar energy module includes aheat collecting device 100, athermoelectric module 200, and aheat pipe 300, and uses the solar energy collected through theheat collecting device 100 to perform thermoelectric power. Power is produced through themodule 200, and thermal energy that is not thermoelectrically converted is characterized in that hot water is heated through theheat pipe 300.

집열장치(100)는 태양열을 집열시키기 위한 집열렌즈(110)와 이러한 집열렌즈(110)를 보조하여 태양열을 집열시키는 집열기(120)를 포함하여 구성된다.Theheat collecting device 100 includes aheat collecting lens 110 for collecting solar heat and aheat collecting device 120 for collecting solar heat by assisting theheat collecting lens 110.

집열렌즈(110)는 태양광을 집열점으로 집광하여 열에너지를 집열시키기 위한 장치이다.Theheat collecting lens 110 is a device for collecting heat energy by condensing sunlight to a heat collecting point.

도 2는 도 1의 집열렌즈(110)의 집열상태를 나타내는 스펙트럼이다. 도2(a)는 집열렌즈(110)에 태양광이 수직으로 입사되는 경우의 집열상태를 나타내고, 도2(b)는 집열렌즈(110)에 태양광이 5°사선으로 입사되는 경우의 집열상태를 나타낸다. 도 2를 참조하면, 태양광이 수직으로 입사되거나 사선으로 입사되어도 집열렌즈(110)에 의해 집열되는 태양열은 후술할 집열기의 하단부에 집열초점이 발생되는 것을 알 수 있다.FIG. 2 is a spectrum showing a collecting state of thecollecting lens 110 of FIG. 1. Fig. 2(a) shows a heat collecting state when sunlight is vertically incident on the collectinglens 110, and Fig. 2(b) is a heat collecting condition when sunlight is incident on the collectinglens 110 at a 5° angle. Indicates the state. Referring to FIG. 2, it can be seen that even if sunlight is incident vertically or diagonally, solar heat collected by thecollecting lens 110 is focused on the lower end of the collector to be described later.

이는 태양광의 입사각이 변하는 경우에도 효과적으로 집열이 가능하므로 태양광을 집광시킬 수 있는 집광시간이 길어질 수 있다는 것을 의미하며, 후술할 집열기(120) 내부에서 반사되는 태양광을 통해서도 집열될 수 있다는 것을 의미한다. 따라서, 열전변환을 위해 집열되는 총 열량이 증가될 수 있으며, 그에 따라 발전량도 향상시킬 수 있게 될 것이다.This means that the condensing time for condensing sunlight can be prolonged since it is possible to effectively collect the sunlight even when the incident angle of sunlight changes, and it means that it can be collected through sunlight reflected from the inside of thecollector 120 to be described later. do. Accordingly, the total amount of heat collected for thermoelectric conversion may be increased, and accordingly, the amount of power generation may be improved.

여기서, 집열렌즈(110)는 태양광을 집광시킬 수 있는 광학렌즈라면 무엇이든 가능하지만, 태양광을 효과적으로 집광하기에는 프레넬 렌즈(Fresnel lens)가 가장 적합하다.Here, thecondensing lens 110 may be any optical lens capable of condensing sunlight, but a Fresnel lens is most suitable for condensing sunlight effectively.

도 3은 집광도(Concentration Ratio)와 집광각(Acceptance Angle) 사이의 상관관계를 나타내는 그래프이다. 그래프에서 가로축은 집광도이고, 세로축은 집광각을 나타낸다. 그래프를 참조하면 알 수 있듯이, 집광도와 집광각은 서로 반비례 관계이며, 집광도가 증가할수록 집광각은 작아지는 특징이 있다.3 is a graph showing a correlation between a concentration ratio and an acceptance angle. In the graph, the horizontal axis represents the concentration of light, and the vertical axis represents the concentration of light. As can be seen from the graph, the condensing degree and the condensing angle are in inverse proportion to each other, and as the condensing degree increases, the condensing angle decreases.

따라서 높은 집광도를 얻기 위해서는 집광각이 좁아지는 문제를 해결하기 위하여 태양광 추적장치를 추가로 구비하는 경우가 많으나, 집열렌즈(110) 만으로는 집열온도를 크게 높이기 어려운 단점을 함께 보완하기 위하여 본 발명에서는 이를 보상하기 위한 방안으로서 집열기(120)를 구비하는 것으로 한다.Therefore, in order to obtain high light concentration, a solar tracking device is often additionally provided to solve the problem of narrowing the light collection angle, but the present invention is to compensate for the disadvantage that it is difficult to greatly increase the heat collection temperature with only thecollecting lens 110. In the method to compensate for this, it is assumed that acollector 120 is provided.

상술한 바와 같이, 집열기(120)는 집열렌즈(110)를 보조하여 태양열을 집열시키기 위한 장치이다. 집열렌즈(110)만으로 태양열을 집열시키면 고온의 열을 얻기는 힘들 수 있으므로 집열기(120)를 함께 사용함으로써 200℃ 이상의 고온의 열을 얻을 수 있도록 한다.As described above, theheat collector 120 is a device for collecting solar heat by assisting theheat collecting lens 110. If the solar heat is collected only by the collectinglens 110, it may be difficult to obtain high-temperature heat, so by using thecollector 120 together, high-temperature heat of 200°C or higher can be obtained.

집열기(120)는 내부에 포물선 형태의 공간을 형성시키는 복합포물선 집광형 집열기(CPC : Compound Parabolic Concentrator)로 되는 것이 가장 바람직하다. 이러한 집열기(120)를 설계하기 위한 방법은 다음과 같다.Most preferably, thecollector 120 is a compound parabolic concentrator (CPC) that forms a space in a parabolic shape therein. A method for designing such acollector 120 is as follows.

집열기(120)의 집광도(C)는 집열기(120)의 입구면적 대비 출구면적의 비율로 나타낼 수 있으며, 이러한 집열기(120)의 설계를 위해서는 집열기(120)의 집광도(C)를 고려하여 집열기(120)의 입구쪽 반지름(w)과 출구쪽 반지름(a), 집열기(120)의 높이(H)가 결정되어야 하는데, 아래의 수학식1을 고려하여 집열기(120)의 집광도에 따라 입구쪽 반지름(w)와 출구쪽 반지름(a)가 결정되면, 수학식2에 의하여 집열기(120)의 높이(H)가 산출될 수 있다.The condensing degree (C) of thecollector 120 can be expressed as a ratio of the outlet area to the inlet area of thecollector 120, and for the design of thecollector 120, the condensing degree (C) of thecollector 120 is considered. The inlet radius (w) and the outlet radius (a) of thecollector 120, and the height (H) of thecollector 120 should be determined, depending on the condensing degree of thecollector 120 in consideration ofEquation 1 below. When the inlet-side radius (w) and the outlet-side radius (a) are determined, the height H of thecollector 120 may be calculated according to Equation (2).

(수학식 1)

(Equation 1)

(수학식 2)

(Equation 2)

(이때, w : 집열기의 입구쪽 반지름, a : 집열기의 출구쪽 반지름, H: 집열기의 높이이다.)(At this time, w: the radius of the inlet of the collector, a: the radius of the outlet of the collector, H: the height of the collector.)

또한, 아래 수학식3 내지 5의 상태방정식을 이용하여 수학식6의 r-z 상태방정식을 도출할 수 있으며, 수학식6의 r-z 상태방정식을 그래프로 나타내면 도 4와 같이 나타날 수 있다.In addition, the r-z state equation ofEquation 6 may be derived using the state equations ofEquations 3 to 5 below, and the r-z state equation ofEquation 6 may be expressed as a graph as shown in FIG. 4.

(수학식 3)

(Equation 3)

(수학식 4)

(Equation 4)

(수학식 5)

(Equation 5)

(수학식 6)

(Equation 6)

도 4는 r-z 상태방정식의 궤도를 나타내는 그래프이다. 도 4에 나타난 그래프의 궤도를 따라 집열기(120)의 내부 형상이 결정될 수 있다.4 is a graph showing the trajectory of the r-z state equation. The inner shape of thecollector 120 may be determined along the trajectory of the graph shown in FIG. 4.

상술한 바와 같이 설계된 집열기(120)의 금형에 금속막을 코팅하여 집열기(120)를 제작할 수 있다. 집열기(120)는 열손실을 방지해야 하므로 열전도도가 낮은 재질로 형성되는 것이 바람직하고, 평탄하고 매끈하여 태양광 반사율이 높은 금속막을 코팅하는 방식으로 제작할 수 있다.Thecollector 120 may be manufactured by coating a metal film on the mold of thecollector 120 designed as described above. Since theheat collector 120 should prevent heat loss, it is preferable to be formed of a material having low thermal conductivity, and may be manufactured by coating a metal film having a high solar reflectance because it is flat and smooth.

도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 설계된 집열기(120)의 단면도이고, 도 6은 도 5의 집열기(120)의 시간에 따른 집열온도를 나타내는 그래프이다. 도 5와 같이 실제로 집열기(120)를 설계하여 집열기(120)의 집열 성능을 실험해 본 결과, 도 6과 같이 대략 240℃ 정도인 고온의 열을 집열할 수 있음을 확인하였다. 이때, 설계된 집열기(120)는 입구쪽 반지름(w)는 30mm, 출구쪽 반지름(a)는 5mm, 집광도(C)는 36SUN이다.5 is a cross-sectional view of acollector 120 designed according to a preferred embodiment of the present invention, and FIG. 6 is a graph showing the heat collection temperature of thecollector 120 of FIG. 5 over time. As a result of experimenting with the heat collecting performance of theheat collector 120 by actually designing theheat collector 120 as shown in FIG. 5, it was confirmed that heat at a high temperature of about 240° C. can be collected as shown in FIG. 6. At this time, the designedcollector 120 has an inlet radius (w) of 30 mm, an outlet radius (a) of 5 mm, and a light concentration (C) of 36 SUN.

이와 같이 집열기(120) 설계 시, 집열기(120)의 집광도를 높이려면 입구면적 대비 출구면적의 비율이 높아지면서 이와 동시에 집열기(120)의 높이가 높아져야 하고, 그에 따라 집광각은 좁아지게 되므로, 태양광을 집광함에 있어 집열렌즈(110)와 집열기(120)를 함께 사용함으로써 집열기(120)의 높이를 낮추면서도 집광각을 넓게 유지할 수 있다는 이점이 있다.In this way, when thecollector 120 is designed, in order to increase the condensing degree of thecollector 120, the ratio of the entrance area to the exit area must be increased, and at the same time, the height of thecollector 120 must be increased, and the condensing angle is narrowed accordingly. In condensing sunlight, there is an advantage of maintaining a wide condensing angle while lowering the height of thecollector 120 by using the condensinglens 110 and thecollector 120 together.

도 7은 도 5의 집열기(120)를 통한 집열초점이 맺히는 상태를 나타내는 스펙트럼이다. 도 7(a)는 태양광이 수직으로 입사되는 경우의 집열점을 나타내고, 도 7(b)는 태양광이 사선으로 입사되는 경우의 집열점을 나타낸다. 도 7을 참조하면, 집열렌즈(110)와 마찬가지로 태양광이 수직으로 입사되거나 사선으로 입사되어도 집열기(120)의 중앙 하단부에서 집열점이 형성되는 것을 알 수 있다.7 is a spectrum showing a state in which a collection focus is established through thecollector 120 of FIG. 5. FIG. 7(a) shows a collection point when sunlight is incident vertically, and FIG. 7(b) shows a collection point when sunlight is incident diagonally. Referring to FIG. 7, it can be seen that, like theheat collecting lens 110, even if sunlight is incident vertically or diagonally, a heat collecting point is formed at the lower central portion of theheat collecting device 120.

따라서 집열장치(100)로부터 열을 전달받아 열전변환시키기 위한 열전모듈(200)은 집열장치(100)의 하단중앙부에 배치되는 것이 가장 바람직하다.Therefore, it is most preferable that thethermoelectric module 200 for receiving heat from theheat collecting device 100 and performing thermoelectric conversion is disposed in the lower central portion of theheat collecting device 100.

열전모듈(200)은 집열기(120)의 하단부에 배치되어 집열렌즈(110) 및 집열기(120)로부터 집열된 열을 전달받아 열전발전을 통해 전력을 생산한다. 열전모듈(200)은 종래의 널리 사용되는 열전소자로 구성될 수 있고, 흡열효율을 향상시키기 위하여 흡열핀이 구비될 수도 있다.Thethermoelectric module 200 is disposed at the lower end of thecollector 120 to receive heat collected from thecollector lens 110 and thecollector 120 to generate electric power through thermoelectric power generation. Thethermoelectric module 200 may be composed of a thermoelectric element that is widely used in the related art, and may be provided with a heat absorbing fin to improve heat absorbing efficiency.

집열장치(100)에서 집열된 열이 열전모듈(200)에서 열전변환되고 남은 잔열은 히트파이프(300)로 전달되어 온수탱크(310)의 물을 가열할 수 있다.The heat collected by theheat collecting device 100 is thermoelectrically converted by thethermoelectric module 200 and the remaining heat is transferred to theheat pipe 300 to heat the water in thehot water tank 310.

히트파이프(300)는 열전도율과 상전이의 원리를 병합하여 효율적으로 열을 전달하는 열교환기로서, 별도의 전원장치가 없이도 냉수와 온수의 순환이 가능하므로 별도의 냉/온수 공급라인 및 제어부 등의 추가 장치가 없이 열전모듈(200)에서 열전변환되고 남은 잔열만으로 온수가열이 가능한 이점이 있다.Theheat pipe 300 is a heat exchanger that efficiently transfers heat by incorporating the principle of thermal conductivity and phase transition, and since cold water and hot water can be circulated without a separate power supply, a separate cold/hot water supply line and a control unit are added. There is an advantage that hot water can be heated only with residual heat remaining after thermoelectric conversion in thethermoelectric module 200 without a device.

따라서, 에너지 사용 효율을 향상시킬 수 있고, 장치구성을 위한 경제적 비용을 절감할 수 있다.Therefore, it is possible to improve the energy use efficiency and reduce the economic cost for the device configuration.

한편, 집광도를 높이기 위해서 집열렌즈(110)를 복수 개 사용할 수 있는데, 그 중에서도 집열렌즈(110)가 두 개 배치되는 경우로 예를 들어 살펴보면 다음과 같다.On the other hand, in order to increase the degree of light collecting, a plurality of collectinglenses 110 may be used. Among them, two collectinglenses 110 are disposed, for example, as follows.

도 8은 도 1의 집열렌즈(110)가 두 개 배치된 경우의 집열상태를 나타내는 스펙트럼이다. 집열렌즈(110)가 하나인 경우의 집열상태를 나타내는 스펙트럼인 도 2와 집열렌즈(110)가 두 개인 경우의 집열상태를 나타내는 스펙트럼인 도 8을 비교하면, 태양광이 사선으로 입사되는 경우 도 2에 비해 도 8에서의 집열점이 중앙에 더 가깝게 맺히는 것을 알 수 있다.FIG. 8 is a spectrum showing a collecting state when two collectinglenses 110 of FIG. 1 are disposed. Comparing FIG. 2, which is a spectrum representing a heat collecting state when there is one collectinglens 110, and FIG. 8, which is a spectrum representing a collecting state when there are two collectinglenses 110, when sunlight is incident in a diagonal line. It can be seen that the collecting point in FIG. 8 is closer to the center than in 2.

이러한 현상은 집열렌즈(110)를 하나 사용하는 경우보다 두 개 사용하는 경우에 집광도가 높아지고, 집열장치(100)에서 동일한 집광도를 나타내기 위해서 집열기(120)의 높이를 낮출 수 있으며, 결과적으로 집광각이 넓어지는 이점이 있다.This phenomenon increases the concentration of light when two of theheat collecting lenses 110 are used, and lowers the height of theheat collector 120 in order to show the same light concentration in theheat collecting device 100. As a result, It has the advantage of widening the condensing angle.

두 개의 집열렌즈(110)를 배치 시에는 집열기(120)의 길이방향을 따라 일정간격 이격 배치되도록 한다. 이때 이격되는 간격은 초점 거리만큼인 것이 가장 적합하다.When the two collectinglenses 110 are disposed, they are disposed at a predetermined interval along the longitudinal direction of thecollector 120. At this time, it is most suitable that the spaced apart is as much as the focal length.

또한, 태양열 에너지 모듈 하나를 단위모듈로 하여 필요한 전력량에 따라 복수 개의 단위모듈을 배치되도록 함으로써 설치 및 유지보수가 용이한 효과가 있다.In addition, by using one solar energy module as a unit module and arranging a plurality of unit modules according to the amount of power required, there is an effect of easy installation and maintenance.

상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 태양열 에너지 모듈은 집열장치(100)에 의해 취득한 열에너지를 이용하여 열전발전 및 온수가열할 수 있는 효과가 있다.As described above, the solar energy module according to the preferred embodiment of the present invention has the effect of being able to generate thermoelectric power and heat hot water using the heat energy obtained by theheat collecting device 100.

아울러, 집열렌즈(110)와 집열기(120)를 함께 사용함으로써 집열기(120)의 높이를 낮추면서도 수용 가능한 태양광의 입사각 범위가 넓어지므로 태양광 집광이 가능한 시간이 길어지고, 태양광의 집열량을 향상시킬 수 있다는 이점이 있다.In addition, by using the collectinglens 110 and thecollector 120 together, the height of thecollector 120 is lowered and the range of the incident angle of sunlight that can be accommodated is widened, so that the time available for condensing sunlight is longer and the amount of sunlight collected is improved. There is an advantage that you can do it.

또한, 별도의 전원 없이 냉수와 온수의 순환이 가능한 히트파이프(300)를 사용하므로 제어장치와 전원장치를 설치할 필요가 없어 장치의 점유면적을 줄일 수 있고, 경제적 비용을 절감할 수 있으며, 집열렌즈(110)를 복수 개 사용함으로써 집열기(120)의 높이는 더 낮추면서 집광도는 유지할 수 있어 집광각 역시 더욱 넓어지는 이점이 있다.In addition, since theheat pipe 300 capable of circulating cold water and hot water without a separate power source is used, there is no need to install a control device and a power supply device, so the occupied area of the device can be reduced, economic cost can be reduced, and a collecting lens By using a plurality of 110, the height of thecollector 120 can be further lowered while the degree of condensing can be maintained, so that the condensing angle is further widened.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다.The above description is merely illustrative of the technical idea of the present invention, and those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains will be able to make various modifications and variations without departing from the essential characteristics of the present invention.

따라서 본 발명에 개시된 실시예는 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라, 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것도 아니다.Accordingly, the embodiments disclosed in the present invention are not intended to limit the technical idea of the present invention, but to explain the technical idea, and the scope of the technical idea of the present invention is not limited by these embodiments.

본 발명의 보호 범위는 특허청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.The scope of protection of the present invention should be construed by the claims, and all technical thoughts within the scope equivalent thereto should be construed as being included in the scope of the present invention.

100: 집열장치
110: 집열렌즈
120: 집열기
200: 열전모듈
300: 히트파이프
310: 온수탱크100: collector
110: collecting lens
120: collector
200: thermoelectric module
300: heat pipe
310: hot water tank

Claims (5)

Translated fromKorean

태양열을 집열시키는 집열렌즈; 및 포물선 형상으로 내부 공간을 형성시키고, 상기 집열렌즈를 보조하여 태양열을 집열시키는 집열기;를 포함하여 구성되고, 상기 집열기의 중앙하단부에 집열점이 잡히는 집열장치;
상기 집열렌즈의 중앙하단부에 위치하여 상기 집열장치에 집열된 태양열을 이용하여 전력을 생산하는 열전모듈; 및
상기 열전모듈에서 변환되지 못한 열에너지가 이동하여 온수가열하는 히트파이프;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 온수와 전력을 동시에 생산하는 태양열 에너지 모듈.A collecting lens for collecting solar heat; And a heat collecting device that forms an inner space in a parabolic shape and collects solar heat by assisting the heat collecting lens.
A thermoelectric module positioned at the lower center of the heat collecting lens to generate electric power using solar heat collected by the heat collecting device; And
And a heat pipe for heating hot water by moving thermal energy that has not been converted by the thermoelectric module.제1항에 있어서,
상기 집열렌즈는,
프레넬 렌즈인 것을 특징으로 하는 온수와 전력을 동시에 생산하는 태양열 에너지 모듈.The method of claim 1,
The collecting lens,
A solar energy module that simultaneously produces hot water and power, characterized in that it is a Fresnel lens.제1항에 있어서,
상기 집열렌즈는,
하나 또는 두개 배치되는 것을 특징으로 하는 온수와 전력을 동시에 생산하는 태양열 에너지 모듈.The method of claim 1,
The collecting lens,
Solar energy module that simultaneously produces hot water and electric power, characterized in that one or two are arranged.제3항에 있어서,
상기 집열렌즈는,
상기 집열기의 길이방향을 따라 일정간격 이격 배치되는 것을 특징으로 하는 온수와 전력을 동시에 생산하는 태양열 에너지 모듈.The method of claim 3,
The collecting lens,
Solar energy module for producing hot water and electric power at the same time, characterized in that the spaced at a predetermined interval along the longitudinal direction of the collector.제1항에 있어서,
상기 집열기는,
내부 공간이 진공상태인 것을 특징으로 하는 온수와 전력을 동시에 생산하는 태양열 에너지 모듈.The method of claim 1,
The collector,
Solar energy module that simultaneously produces hot water and power, characterized in that the interior space is in a vacuum state.

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